Die
Erfindung betrifft eine Positionsmesseinrichtung nach dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.The
The invention relates to a position measuring device according to the preamble
of claim 1.
Eine
derartige Positionsmesseinrichtung umfasst eine Maßverkörperung,
die mindestens eine entlang einer Geraden oder entlang einer gekrümmten Linie
erstreckte Messteilung aufweist; eine Abtasteinrichtung zum Abtasten
der Messteilung mittels einer Lichtquelle; eine Empfangseinheit
der Abtasteinrichtung, mittels der von der Lichtquelle ausgesandte
und durch die Messteilung modifizierte Lichtstrahlen zur Auswertung
empfangbar sind; sowie eine zwischen der Maßverkörperung und der Empfangseinheit
angeordnete, durch optische Linsen gebildete Linsenanordnung zur
Erzeugung eines definierten Abbildes der Messteilung auf der Empfangseinheit.A
such a position measuring device comprises a material measure,
the at least one along a straight line or along a curved line
has extended measuring graduation; a scanner for scanning
the measuring division by means of a light source; a receiving unit
the scanning device, by means of the emitted by the light source
and light beams modified by the measuring graduation for evaluation
are receivable; and one between the measuring standard and the receiving unit
arranged, formed by optical lenses lens arrangement for
Generation of a defined image of the measuring division on the receiving unit.
Eine
solche Positionsmesseinrichtung dient zur Bestimmung der Relativposition
zweier zueinander beweglicher Objekte, z. B. zweier zueinander beweglicher
Maschinenteile einer Werkzeugmaschine. Hierzu wird die Maßverkörperung
mit dem einen und die Abtasteinrichtung mit dem anderen der beiden Objekte
verbunden, so dass sich durch Abtasten der Maßverkörperung mittels der Messteilung
das Ausmaß der
Bewegung der beiden Objekte zueinander entlang der Erstreckungsrichtung
der Messteilung (Messrichtung) bestimmten lässt. Mit sogenannten linearen
Positionsmesseinrichtungen, bei denen sich die Messteilung entlang
einer Geraden erstreckt, lassen sich dabei geradlinige Relativbewegungen
der beiden Objekte zueinander messen, während sogenannte Winkelmesseinrichtungen
zur Bestimmung der Relativposition zweier zueinander verdrehbarer Objekte
dienen. Grundsätzlich
kann sich die Messteilung entlang einer beliebigen Linie erstrecken,
entlang der die Relativbewegung zweier zueinander beweglicher Objekte
ermittelt werden soll.A
such a position measuring device is used to determine the relative position
two mutually movable objects, e.g. B. two mutually movable
Machine parts of a machine tool. For this purpose, the measuring standard
with one and the scanner with the other of the two objects
connected so that by measuring the measuring standard by means of the measuring graduation
the extent of
Movement of the two objects to each other along the direction of extension
the measuring division (measuring direction) can be determined. With so-called linear
Position measuring devices in which the measuring graduation is along
extends a straight line, straight relative movements can be made
of the two objects to measure each other, while so-called angle measuring devices
for determining the relative position of two objects that can be rotated relative to one another
serve. in principle
the measuring graduation can extend along any line,
along the relative movement of two mutually moving objects
should be determined.
Die
unterschiedliche Gestaltung der Messteilung linearer Positionsmesseinrichtungen
einerseits und von Positionsmesseinrichtungen zur Bestimmung einer
Bewegung entlang einer gekrümmten
Linie andererseits hat zur Folge, dass die Empfangseinheit (optoelektronischer
Detektor), mit der die durch die Messteilung (im Auflicht- oder
Durchlichtverfahren) modifizierten Lichtstrahlen zur Auswertung
empfangen werden, an die Geometrie der jeweiligen Messteilung angepasst
werden muss. Dies gilt insbesondere für die Gestaltung und Rasterung
der strahlungsempfindlichen Oberfläche der Empfangseinheit, die
in der Regel durch einen geeigneten optoelektronischen integrierten
Schaltkreis (Opto-Asic) gebildet wird. Die Verwendung unterschiedlicher
optoelektronischer Detektoren für
unterschiedliche Geometrien der Messteilung hat eine entsprechende
Erhöhung
der Herstellungskosten zur Folge.The
different design of the measuring graduation of linear position measuring devices
on the one hand and of position measuring devices for determining a
Movement along a curved
Line on the other hand has the consequence that the receiving unit (optoelectronic
Detector) with which the measurement graduation (in reflected light or
Transmitted light method) modified light beams for evaluation
received, adapted to the geometry of the respective measuring graduation
must become. This applies in particular to the design and screening
the radiation-sensitive surface of the receiving unit, the
usually through a suitable optoelectronic integrated
Circuit (Opto-Asic) is formed. The use of different
optoelectronic detectors for
different geometries of the measuring graduation has a corresponding one
increase
the manufacturing costs.
Aus
der EP 0 801 724 B1 ist
eine Positionsmesseinrichtung bekannt, bei der zwischen der mittels
Licht abzutastenden Messteilung und dem zugeordneten optoelektronischen
Detektor ein Analysegitter angeordnet ist, um aus dem durch die
Messteilung modifizierten Licht ein resultierendes Streifenmuster
zu erzeugen. Dieses Analysegitter ist dabei derart ausgebildet,
dass aus dem von einer kreisringförmigen Messteilung modifizierten
Licht ein geradlinig erstrecktes Streifenmuster erzeugt wird oder
umgekehrt aus dem von einer linearen Messteilung erzeugten Lichtmuster
ein kreisringförmig
erstrecktes Streifenmuster gebildet wird. Hierdurch lässt sich also
beispielsweise bei Abtastung einer kreisringförmigen Messteilung ein vom
optoelektronischen Detektor zu empfangendes Streifenmuster erzeugen, das
in gleicher Weise geradlinig erstreckt ist, wie das üblicherweise
beim Abtasten einer linearen Messteilung erzeugte Streifenmuster.
Hierdurch lassen sich die Streifenmuster der Winkelmesseinrichtung
einerseits und der linearen Positionsmesseinrichtung andererseits
unter Verwendung optoelektronischer Detektoren ein und desselben
Typs auswerten.From the EP 0 801 724 B1 A position measuring device is known in which an analysis grid is arranged between the measuring graduation to be scanned by means of light and the associated optoelectronic detector in order to generate a resulting stripe pattern from the light modified by the measuring graduation. This analysis grid is designed in such a way that a straight-line stripe pattern is generated from the light modified by an annular measuring graduation or, conversely, a stripe pattern extending in an annular shape is formed from the light pattern generated by a linear measuring graduation. In this way, for example when scanning an annular measuring graduation, a stripe pattern to be received by the optoelectronic detector can be generated, which extends in a straight line in the same way as the stripe pattern usually generated when scanning a linear measuring graduation. In this way, the stripe patterns of the angle measuring device on the one hand and the linear position measuring device on the other hand can be evaluated using optoelectronic detectors of the same type.
Aus
der US-PS 5,486,923 ist
es bekannt, in einem Positionsmesssystem ein Beugungsgitter als Wellenfront-korrigierende
Struktur zu verwenden. Aus der US-PS 4,577,101 ist ein optoelektronisches Winkelmesssystem
bekannt, bei dem eine kreisringförmige
Messteilung unter Verwendung eines konischen Reflektors und einer
zylindrischen Linse auf einen linearen optoelektronischen Detektor
abgebildet wird.From the U.S. Patent 5,486,923 it is known to use a diffraction grating as a wavefront correcting structure in a position measuring system. From the U.S. Patent 4,577,101 an optoelectronic angle measuring system is known in which an annular measuring graduation is imaged onto a linear optoelectronic detector using a conical reflector and a cylindrical lens.
Der
Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Positionsmesseinrichtung
der eingangs genannten Art weiter zu verbessern.The
The invention is based on the problem of a position measuring device
to further improve the type mentioned at the beginning.
Dieses
Problem wird erfindungsgemäß durch
die Schaffung einer Positionsmesseinrichtung mit den Merkmalen des
Patentanspruchs 1 gelöst.This
According to the invention, the problem is solved by
the creation of a position measuring device with the features of
Claim 1 solved.
Danach
ist die Linsenanordnung der Positionsmesseinrichtung, die zur Erzeugung
eines definierten Abbildes der Messteilung auf der Empfangseinheit
dient, derart ausgebildet, dass sich das erzeugte Abbild entlang
einer Linie erstreckt, deren Krümmung
verschieden von der Krümmung
derjenigen Linie ist, entlang der sich die Messteilung erstreckt.
So kann also beispielsweise aus einer linear erstreckten Messteilung
ein gekrümmtes
Abbild auf der Empfangseinheit erzeugt werden oder aus einer gekrümmten Messteilung
eine linear erstrecktes Abbild bzw. eine Abbildung mit einer anderen,
von der erstgenannten Krümmung
abweichenden Krümmung.The lens arrangement of the position measuring device, which is used to generate a defined image of the measuring graduation on the receiving unit, is then designed such that the generated image extends along a line whose curvature is different from the curvature of the line along which the measuring graduation extends. Thus, for example, a curved image can be generated on the receiving unit from a linearly extending measuring division, or a linearly extending image or an image with another, from which, can be generated from a curved measuring division first-mentioned curvature deviating curvature.
Die
erfindungsgemäße Lösung sieht
demnach die Verwendung einer Linsenanordnung zur Veränderung
der Krümmung
des Abbildes gegenüber
der Krümmung
der Messteilung (wobei in dieser allgemeinen Formulierung auch eine
geradlinige Messteilung als Teilung mit unendlicher Krümmung enthalten
ist) vor, um derart aus Messteilungen unterschiedlicher Krümmung ein
Abbild mit ein und derselben Krümmung
zu erzeugen, so dass die Abbilder unterschiedlicher Messteilungen
mit ein und demselben Typus einer Empfangseinheit ausgewertet werden
können.The
solution according to the invention sees
accordingly the use of a lens arrangement for the change
the curvature
opposite the image
the curvature
the measurement division (although in this general formulation also a
linear measurement graduation included as graduation with infinite curvature
is) to such a way from measuring gradients of different curvature
Image with the same curvature
to generate so that the images of different measuring divisions
can be evaluated with one and the same type of receiving unit
can.
Die
erfindungsgemäße Lösung ist
insbesondere geeignet für
Positionsmesseinrichtungen mit linear erstreckter Messteilung (sogenannte
Längenmesssysteme)
bzw. Positionsmesseinrichtungen mit entlang eines Ringes, insbesondere
eines Kreisringes, erstreckter Messteilung, also sogenannte Winkelmesssysteme.
Letztere müssten
sich dabei nicht entlang des gesamten Umfanges des Ringes bzw. Kreisringes
erstrecken; vielmehr kann eine entsprechende Messteilung auch durch
ein Winkelsegment gebildet werden, das sich nur entlang eines Abschnittes
eines Ringes bzw. Kreisringes erstreckt.The
solution according to the invention
particularly suitable for
Position measuring devices with linear measuring graduation (so-called
Length measuring systems)
or position measuring devices with along a ring, in particular
a circular ring, extended measuring graduation, so-called angle measuring systems.
The latter would have to
not along the entire circumference of the ring or circular ring
extend; rather, a corresponding measuring division can also be carried out by
an angular segment can be formed that extends only along one section
a ring or circular ring extends.
Unabhängig davon,
ob eine ringartig erstreckte Messteilung einen geschlossenen Ring
oder nur einen Abschnitt eines Ringes bildet, wird eine solche Messteilung
durch ringartig hintereinander angeordnete Ringsegmente gebildet,
die jeweils eine definierte Ausdehnung in radialer Richtung aufweisen und
deren Breite (Ausdehnung in Umfangsrichtung des Ringes) in radialer
Richtung variiert, nämlich
in radialer Richtung nach außen
zunimmt. Zur Erstellung eines geradlinig erstreckten Abbildes einer
ringartigen Messteilung müssen
die durch die Linsenanordnung auf der Empfangseinheit gebildeten
Abbilder der einzelnen Ringsegmente der Messteilung jeweils eine
konstante Breite, d.h. eine konstante Ausdehnung entlang der linearen
Erstreckungsrichtung des Abbildes aufweisen. Hierzu kann vorgesehen sein,
dass der Abbildungsmaßstab
der Linsenanordnung in radialer Richtung – bezogen auf die Mittelachse
des Ringes, entlang dessen sich die Messteilung voll umfänglich oder
nur abschnittsweise erstreckt – variiert,
und zwar in radialer Richtung von innen nach außen von einem Wert größer 1 auf
einen Wert kleiner 1 abnimmt. Dies lässt sich z.B. dadurch erreichen,
dass sich der Abbildungsmaßstab
umgekehrt proportional zu dem Abstand eines Punktes der Messteilung
von der Mittelachse der Messteilung verhält. Letzteres wird wiederum
dadurch ermöglicht, dass
die Brennweite der einzelnen Linsen der Linsenanordnung in radialer
Richtung, bezogen auf die Mittelachse der Messteilung, variiert.Independently of,
whether a ring-shaped measuring graduation is a closed ring
or forms only a section of a ring, such a graduation
formed by ring segments arranged one behind the other,
which each have a defined extent in the radial direction and
the width (extent in the circumferential direction of the ring) in the radial
Direction varies, namely
in the radial direction to the outside
increases. To create a straight-line image of a
ring-like measuring graduation
those formed by the lens arrangement on the receiving unit
Images of the individual ring segments of the measuring graduation one each
constant width, i.e. a constant expansion along the linear
Have direction of extension of the image. For this purpose it can be provided
that the picture scale
the lens arrangement in the radial direction - based on the central axis
of the ring along which the measuring graduation extends over the entire circumference or
only extends in sections - varies,
in the radial direction from the inside to the outside from a value greater than 1
decreases a value less than 1. This can e.g. achieve by
that the imaging scale
inversely proportional to the distance of a point of the measuring graduation
from the central axis of the measuring graduation. The latter will turn
thereby allowing that
the focal length of the individual lenses of the lens arrangement in radial
Direction, based on the central axis of the measuring graduation, varies.
Ferner
ist die Linsenanordnung zur Ausführung
einer solchen Transformation ausgebildet, dass die Abbilder der
Ringsegmente ohne Überlappung und
vorzugsweise unmittelbar aneinander grenzend hintereinander angeordnet
sind.Further
is the lens arrangement for execution
of such a transformation that the images of
Ring segments without overlap and
preferably arranged immediately adjacent to one another
are.
Umgekehrt
kann aus einer linear erstreckten Messteilung, die durch entlang
einer Geraden hintereinander angeordnete Striche (Segmente konstanter Breite)
gebildet wird, ein gekrümmtes,
ringartiges Abbild erzeugt werden, indem der Abbildungsmaßstab einer
ringartigen Linsenanordnung in radialer Richtung, bezogen auf die
Mittelachse der Linsenanordnung variiert, insbesondere von einem
Wert kleiner 1 in radialer Richtung nach außen auf einen Wert größer 1 zunimmt.Vice versa
can consist of a linearly extending measuring division, which runs along
a line arranged in a straight line (segments of constant width)
is formed, a curved,
ring-like image are generated by the scale of a
ring-like lens arrangement in the radial direction, based on the
The central axis of the lens arrangement varies, in particular from one
Value less than 1 increases in the radial direction outwards to a value greater than 1.
Für die Erzeugung
von Abbildern der vorgenannten Art aus einer Messteilung eignet
sich insbesondere eine Linsenanordnung, die zwei Gruppen von Linsen
umfasst, welche in jeweils einer von zwei parallel zueinander erstreckten
Ebenen angeordnet sind, wobei die Ebenen derart ausgerichtet sind,
dass die durch die Messteilung modifizierten Lichtstrahlen die Ebenen
schneiden.For generation
suitable of images of the aforementioned type from a measuring graduation
there is in particular a lens arrangement, the two groups of lenses
comprises, which in each case one of two parallel to each other
Levels are arranged, the levels being oriented such
that the light rays modified by the measuring graduation cover the planes
to cut.
Hierbei
sind die Linsen der beiden Gruppen jeweils paarweise zu einer Zelle
zusammengefasst und die Linsen einer Zelle jeweils senkrecht zu
den beiden Ebenen derart hintereinander angeordnet, dass zumindest
ein Teil der Lichtstrahlen, die eine erste Linse einer Zelle passieren,
anschließend
zu der zweiten Linse derselben Zelle gelangen und nicht zu einer
zweiten Linse einer anderen Zelle der Linsenanordnung.in this connection
are the lenses of the two groups in pairs to a cell
summarized and the lenses of a cell perpendicular to each
the two levels arranged in such a way that at least
part of the light rays that pass a first lens of a cell
subsequently
get to the second lens of the same cell and not one
second lens of another cell of the lens arrangement.
Hierdurch
soll ein Übersprechen
zwischen verschiedenen Zellen der Linsenanordnung verhindert werden.hereby
supposed to be crosstalk
be prevented between different cells of the lens arrangement.
Zur
Vermeidung des Übersprechens
kann alternativ oder ergänzend
eine Blendenstruktur dienen, die zwischen den beiden Linsengruppen
oder in der Ebene derjenigen Linsengruppe, die die Lichtstrahlen
zuletzt passieren, angeordnet ist. Hierbei kann insbesondere jeder
Zelle der Linsenanordnung eine Öffnung
der Blendenstruktur zugeordnet sein. Mittels einer solchen Blendenstruktur
können
die Lichtstrahlen derart geführt
werden, dass solche Lichtstrahlen, die eine erste Linse einer Zelle
der Linsenanordnung passiert haben, nicht zu einer zweiten Linse
einer anderen Zelle der Linsenanordnung gelangen.to
Avoiding crosstalk
can alternatively or additionally
serve an aperture structure between the two lens groups
or in the plane of the lens group that the light rays
happen last, is arranged. Everyone can do this
Cell of the lens assembly has an opening
be assigned to the aperture structure. By means of such an aperture structure
can
the light rays guided in this way
that light rays that are a first lens of a cell
have passed the lens arrangement, not to a second lens
another cell of the lens arrangement.
Die
beiden Linsengruppen sind vorzugsweise jeweils parallel zu der Maßverkörperung
und parallel zu der lichtempfindlichen Oberfläche der Abtasteinrichtung angeordnet.
Sie bestehen vorzugsweise jeweils aus ringartig hintereinander angeordneten (ringsegmentartigen)
Linsen, wobei die Mittelpunkte der beiden Linsengruppen auf einer
Geraden (gemeinsamen Achse) oder auf einem Kreissegment liegen.The two lens groups are preferably each arranged parallel to the material measure and parallel to the light-sensitive surface of the scanning device. They preferably each consist of ring-like (ring segment-like) lenses, the centers of the two lens groups on a straight line (ge common axis) or on a segment of a circle.
Ferner
kann vorgesehen sein, dass die Linsen-Mittelpunkte der einzelnen
Linsen der beiden Linsengruppen in einem zweidimensionalen Raster, bestehend
aus mehreren Zeilen, angeordnet sind, oder dass die Linsen-Mittelpunkte
jeweils entlang mehrerer konzentrischer Kreislinien mit unterschiedlichen
Radien liegen.Further
can be provided that the lens centers of the individual
Lenses of the two lens groups in a two-dimensional grid, consisting
composed of several lines, or that the lens centers
each along several concentric circular lines with different ones
Radii lie.
Hierbei
können
die Zeilen des zweidimensionalen Rasters im Wesentlichen parallel
zur Erstreckungsrichtung der Messteilung verlaufen und die verschiedenen
Zeilen in der Erstreckungsrichtung der Messteilung zueinander versetzt
angeordnet sein und darüber
hinaus die Mittelpunkte der verschiedenen Kreislinien in azimutaler
Richtung versetzt zueinander angeordnet sein.in this connection
can
the lines of the two-dimensional grid are essentially parallel
to the direction of extension of the measuring graduation and the different
Lines offset from one another in the direction of extension of the measuring graduation
be arranged and above
in addition, the centers of the various circular lines in azimuthal
Direction offset from each other.
Die
Linsen selbst sind vorzugsweise lokal als Zylinderlinsen mit einer
definiert orientierten Scheitellinie ausgebildet; insbesondere kann
es sich hierbei um zylindersymmetrische Linsen handeln.The
Lenses themselves are preferably local as a cylindrical lens with a
well-defined crest line; in particular can
these are cylindrical symmetrical lenses.
Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung sind die einzelnen Linsen einer Gruppe der Linsenanordnung
jeweils senkrecht zur Erstreckungsebene der jeweiligen Linsengruppe
gewölbt, wobei
sich die Scheitellinien der Linsen in radialer Richtung erstrecken
und in einem Punkt schneiden.According to one
preferred embodiment of the
Invention are the individual lenses of a group of the lens arrangement
each perpendicular to the plane of extension of the respective lens group
arched, being
the apex lines of the lenses extend in the radial direction
and cut in one point.
Die
Schnittpunkte der Scheitellinien der beiden Linsengruppen können dabei
in radialer Richtung derart voneinander beabstandet sein, dass in
einer Zelle der Linsenanordnung die Scheitellinien der beiden Linsen
dieser Zelle – entlang
der optischen Achse betrachtet – jeweils
deckungsgleich hintereinander liegen und dass in den weiteren Zellen
der Linsenanordnung die Scheitellinien der beiden Linsen jeweils
senkrecht zur optischen Achse zueinander versetzt sind. Hierdurch
können
die einzelnen Ringsegmente einer ringartigen Messteilung, die aufgrund
des gewählten,
ortsabhängigen
Abbildungsmaßstabes
in rechteckige Segmente konstanter Breite umgesetzt werden, in der
ersten Bildebene ohne Überlapp
entlang einer Geraden hintereinander angeordnet werden.The
Intersection of the apex lines of the two lens groups can
be spaced apart in the radial direction such that in
a cell of the lens arrangement, the apex lines of the two lenses
this cell - along
considered the optical axis - each
lie congruently one behind the other and that in the other cells
the apex lines of the two lenses of the lens arrangement
are mutually offset perpendicular to the optical axis. hereby
can
the individual ring segments of a ring-like measuring division, which are due to
of the chosen
location-dependent
image scale
are converted into rectangular segments of constant width in which
first image level without overlap
can be arranged one behind the other along a straight line.
Hierzu
ist weiter vorgesehen, dass sich die zueinander versetzten Scheitellinien
der Linsen einer Zelle – entlang
der optischen Achse betrachtet – kreuzen,
und zwar derart, dass die Schnittpunkte der Scheitellinien der ersten
Linsengruppe sowie der zweiten Linsengruppe in radialer Richtung
zueinander versetzt sind. Gleichzeitig sind die seitlichen Begrenzungslinien,
die die einzelnen Linsen einer ringartigen Linsengruppe in Umfangsrichtung
begrenzen – entlang
der optischen Achse betrachtet – für die beiden
Linsen einer Zelle deckungsgleich angeordnet, so dass die beiden
Linsen einer Zelle – entlang der
optischen Achse betrachtet – im
Wesentlichen deckungsgleich sind.For this
it is further provided that the apex lines offset from one another
the lenses of a cell - along
viewed from the optical axis - cross,
in such a way that the intersections of the apex lines of the first
Lens group and the second lens group in the radial direction
are offset from each other. At the same time, the lateral boundary lines,
the individual lenses of a ring-like lens group in the circumferential direction
limit - along
considered the optical axis - for the two
Lenses of a cell are congruently arranged so that the two
Lenses of a cell - along the
considered optical axis - im
Are essentially congruent.
Als
optische Linsen können
sowohl diffraktive Linsen (auch in Form einer mehrstufigen diffraktiven
Struktur) als auch refraktive Linsen dienen.As
optical lenses can
both diffractive lenses (also in the form of a multi-stage diffractive
Structure) as well as refractive lenses.
Die
erfindungsgemäße Ausbildung
einer Positionsmesseinrichtung lässt
sich sowohl bei solchen Messteilungen anwenden, die in einem Auflichtverfahren
abtastbar sind, als auch bei in einem Durchlichtverfahren abtastbaren
Messteilungen. Außerdem
kann die erfindungsgemäße Ausbildung
einer Positionsmesseinrichtung sowohl bei absoluten Messsystemen
(Maßverkörperung
mit einer absoluten Codespur) als auch bei inkrementellen Messsystemen
(Maßverkörperung
mit einer periodischen Messteilung) angewandt werden.The
Training according to the invention
a position measuring device
apply both to such graduations in a reflected light process
are scanned, as well as scanned in a transmitted light method
Measuring graduations. Moreover
can the inventive training
a position measuring device both with absolute measuring systems
(material measure
with an absolute code track) as well as with incremental measuring systems
(material measure
with a periodic measurement division).
Die
Maßverkörperung
kann mehrere senkrecht zu ihrer Erstreckungsrichtung nebeneinander angeordnete
Spuren aufweisen, die zur Positionsmessung mittels Licht abtastbar
sind. Dabei kann zumindest ein Teil der Spuren durch eine gemeinsame Linsenanordnung
abbildbar sein und/oder es kann zumindest ein Teil der Spuren durch separate
Linsenanordnungen abbildbar sein. Dabei können die beiden Linsengruppen
jeder Linsenanordnung jeweils auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet
sein.The
Measuring standard
can be several arranged side by side perpendicular to their direction of extension
Have traces that can be scanned for position measurement using light
are. At least some of the tracks can be created by a common lens arrangement
be reproducible and / or at least some of the tracks can be separated
Lens arrangements can be mapped. The two lens groups
each lens arrangement is arranged on a common substrate
his.
Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung werden bei der nachfolgenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
anhand der Figuren deutlich werden.Further
Features and advantages of the invention will become apparent in the following
Description of exemplary embodiments
become clear from the figures.
Es
zeigen:It
demonstrate:
1 – einen Querschnitt einer Positionsmesseinrichtung
für die
Winkelmessung, die eine im Durchlichtverfahren optisch abtastbare,
ringförmig erstreckte
Codespur aufweist sowie eine Linsenanordnung zur Abbildung des durch
die Codespur modifizierten Lichtes auf einem optoelektronischen
Detektor; 1 - A cross-section of a position measuring device for the angle measurement, which has a code track which is optically scanned in the transmitted light method and has a ring-shaped extension, and a lens arrangement for imaging the light modified by the code track on an optoelectronic detector;
2a – ein Ringsegment der Codespur
aus 1 sowie das Abbild
dieses Ringsegmentes; 2a - A ring segment of the code track 1 as well as the image of this ring segment;
2b – eine weitere Darstellung
des Ringsegmentes aus 1 sowie
von dessen Abbild; 2 B - Another representation of the ring segment 1 as well as its image;
3a – mehrere, entlang eines Kreisringes nebeneinander
angeordnete Ringsegmente der Codespur aus 1; 3a - Several ring segments of the code track arranged next to one another along a circular ring 1 ;
3b–3d – Transformationsschritte
bei der Erzeugung eines Abbildes der Anordnung aus 3a, wobei das Abbild durch linear hintereinander angeordnete
Segmente konstanter Breite gebildet wird; 3b - 3d - Transformation steps in the creation of an image of the arrangement 3a , wherein the image is formed by linearly arranged segments of constant width;
4a – eine Draufsicht auf eine
Linsengruppe der Linsenanordnung aus 1; 4a - A plan view of a lens group of the lens arrangement 1 ;
4b – einen Schnitt durch die Linsenanordnung
aus 1; 4b - A section through the lens arrangement 1 ;
5 – einen Ausschnitt aus einer
Linsengruppe der Linsenanordnung aus 1 mit
einer Blendenstruktur; 5 - A section from a lens group of the lens arrangement 1 with an aperture structure;
6 – einen Ausschnitt aus einer
Weiterbildung der Linsenanordnung gemäß 1; 6 - A section from a further development of the lens arrangement according to 1 ;
7 – eine Positionsmesseinrichtung
zur Abtastung einer Messteilung im Auflichtverfahren; 7 - A position measuring device for scanning a measuring graduation in the incident light method;
8 – eine Abwandlung der Transformation
aus 2a. 8th - a modification of the transformation 2a ,
1 zeigt ein Positionsmesssystem
für Winkelmessungen
(d.h. eine Winkelmesseinrichtung bzw. einen Drehheber) mit einer
Maßverkörperung 2 und
einer entlang der Messrichtung, d.h. entlang eines Kreisringes,
relativ zu der Maßverkörperung 2 beweglichen
Abtasteinheit 1 zum Abtasten der Maßverkörperung 2. Die Maßverkörperung 2 ist
hier als Teilscheibe eines absoluten Drehgebers ausgebildet und
weist eine Messteilung in Form einer Codespur 20 mit absoluter
Positionsinformation (PRC-Spur) auf, die sich kreisringförmig auf
der Maßverkörperung 2 um
die Drehachse D für
die Relativbewegung von Abtasteinheit 1 und Maßverkörperung 2 erstreckt. 1 shows a position measuring system for angle measurements (ie an angle measuring device or a rotary jack) with a material measure 2 and one along the measuring direction, ie along a circular ring, relative to the material measure 2 movable scanning unit 1 for scanning the material measure 2 , The material measure 2 is designed here as a partial disk of an absolute rotary encoder and has a measuring graduation in the form of a code track 20 with absolute position information (PRC track), which is circular in shape on the material measure 2 around the axis of rotation D for the relative movement of the scanning unit 1 and material measure 2 extends.
In
radialer Richtung betrachtet ist neben der Codespur 20 mit
absoluter Positionsinformation eine Inkrementalspur 200 vorgesehen,
die sich ebenfalls ringförmig
um die Drehachse D der Positionsmesseinrichtung erstreckt und die
durch eine periodische Strichteilung gebildet wird. Bei Bedarf kann
die Maßverkörperung 2 noch
weitere Spuren aufweisen.Viewed in the radial direction is next to the code track 20 an incremental track with absolute position information 200 provided, which also extends in a ring around the axis of rotation D of the position measuring device and which is formed by a periodic line division. If necessary, the measuring standard 2 have other traces.
Die
zum Abtasten der beiden Spuren 20, 200 der Maßverkörperung 2 im
Durchlichtverfahren dienende Abtasteinheit 1 weist eine
Lichtquelle in Form einer lichtemittierenden Diode sowie auf der
der Lichtquelle abgewandten Seite der Maßverkörperung 2 einen fotoelektrischen
Detektor 19 auf. Zwischen der Lichtquelle 11 und
der Maßverkörperung 2 ist eine
Kondensorlinse 13 angeordnet, die die von der Lichtquelle 11 ausgesandten
Lichtstrahlen L parallelisiert, bevor sie auf die Maßverkörperung 2 auftreffen.
Auf der anderen Seite der Maßverkörperung 2 sind
zwischen der Maßverkörperung 2 und
dem fotoelektrischen Detektor 19 zwei Linsenanordnungen 3, 4 und 300, 400 angeordnet,
die zur Erzeugung eines Abbildes der durch die Codespur 20 bzw.
durch die Inkrementalspur 200 modifizierten Lichtstrahlen
L auf dem fotoelektrischen Detektor 19 dienen.The one for scanning the two tracks 20 . 200 the material measure 2 scanning unit used in the transmitted light process 1 has a light source in the form of a light-emitting diode and on the side of the material measure facing away from the light source 2 a photoelectric detector 19 on. Between the light source 11 and the material measure 2 is a condenser lens 13 arranged which by the light source 11 emitted light rays L parallelized before they hit the material measure 2 incident. On the other side of the measuring standard 2 are between the material measure 2 and the photoelectric detector 19 two lens arrays 3 . 4 and 300 . 400 arranged to generate an image of through the code track 20 or through the incremental track 200 modified light rays L on the photoelectric detector 19 serve.
Bei
dem gemäß 1 im Durchlichtverfahren
arbeitenden Positionsmesssystem wird das von der Lichtquelle 11 ausgesandte
und mittels der Kondensorlinse 13 parallelisierte Licht
beim Durchdringen der lichtdurchlässigen Maßverkörperung 2 durch die
Codespur 20 oder durch die Inkrementalspur 200 modifiziert,
wobei ein definiertes Lichtmuster erzeugt wird. Das durch die Codespur 2 oder
durch die Inkrementalspur 200 modifizierte Licht gelangt
anschließend
zu der ersten Linsenanordnung 3, 4 bzw. der zweiten
Linsenanordnung 300, 400, die auf einem gemeinsamen
Substrat angeordnet sind. Die Linsenanordnungen 3, 4 werden
jeweils durch zwei Gruppen von Linsen gebildet, welche in jeweils
einer von zwei parallel zueinander verlaufenden Ebenen 30, 40 angeordnet
sind. Jede der Linsengruppen 3 bzw. 4 oder 300 bzw. 400 besteht
aus einer Mehrzahl in der jeweiligen Ebene 30 bzw. 40 nebeneinander
angeordneter Linsen (sogenanntes Mikrolinsen-Array). Die Ebenen,
in denen sich die Linsengruppen 3, 4 bzw. 300, 400 der
beiden Linsenanordnungen erstrecken, sind derart angeordnet, dass
sie von den an der Maßverkörperung 2 modifizierten
Lichtstrahlen L im Wesentlichen senkrecht geschnitten werden.According to the 1 The position measuring system working in the transmitted light method becomes from the light source 11 emitted and by means of the condenser lens 13 parallelized light when penetrating the translucent material measure 2 through the code track 20 or through the incremental track 200 modified, whereby a defined light pattern is generated. That through the code track 2 or through the incremental track 200 modified light then arrives at the first lens arrangement 3 . 4 or the second lens arrangement 300 . 400 which are arranged on a common substrate. The lens assemblies 3 . 4 are each formed by two groups of lenses, each in one of two parallel planes 30 . 40 are arranged. Each of the lens groups 3 respectively. 4 or 300 respectively. 400 consists of a plurality in the respective level 30 respectively. 40 lenses arranged side by side (so-called microlens array). The levels in which the lens groups 3 . 4 respectively. 300 . 400 of the two lens arrangements extend are arranged such that they differ from those on the material measure 2 modified light beams L are cut substantially perpendicular.
Bei
einem derartigen doppelten Linsen-Array, das aus zwei in einem definierten
Abstand voneinander und parallel zueinander angeordneten Linsengruppen 3, 4 bzw. 300, 400 besteht,
kann jeder Einzellinse einer ersten Linsengruppe 3 bzw. 300 genau
eine Einzellinse der zweiten Linsengruppe 4 bzw. 400 zugeordnet
werden. Dadurch lässt
sich mit Linsen ohne Wellenleiterstruktur ein positiver Abbildungsmaßstab, d.h.
ein Abbildungsmaßstab
mit einem Wert größer als
Null, insbesondere dem Wert Eins, realisieren. Ein solcher Abbildungsmaßstab ermöglicht es
wiederum, die Bildbereiche der Einzellinsen mit einer definierten
räumlichen
Orientierung kontinuierlich aneinander anzuschließen. Dies
ermöglicht
eine großflächige Abtastung
der Maßverkörperung 2 bei
gleichzeitig geringer Bauhöhe
und somit kompakter Ausbildung des Positionsmesssystems.In such a double lens array, which consists of two lens groups arranged at a defined distance from one another and parallel to one another 3 . 4 respectively. 300 . 400 exists, each individual lens of a first lens group 3 respectively. 300 exactly one single lens of the second lens group 4 respectively. 400 be assigned. As a result, lenses without a waveguide structure can be used to implement a positive imaging scale, ie an imaging scale with a value greater than zero, in particular a value of one. Such an imaging scale in turn makes it possible to continuously connect the image areas of the individual lenses to one another with a defined spatial orientation. This enables a large-scale scanning of the material measure 2 with a low overall height and thus a compact design of the position measuring system.
Besonders
vorteilhaft ist hierbei eine derartige Ausbildung der Linsenanordnung,
dass der Abbildungsmaßstab
im Mittel den Wert Eins annimmt. Indem für beide Linsengruppen 3, 4 bzw. 300, 400 der jeweiligen
Linsenanordnung das gleiche Raster, d.h., eine übereinstimmende Anordnung der
Einzellinsen in der jeweiligen Ebene 30, 40 verwendet
wird, gehen die (entsprechend gerasterten) Bildbereiche des von der
Linsenanordnung 3, 4 auf dem Detektor 19 erzeugten
Abbildes unmittelbar kontinuierlich ineinander über.It is particularly advantageous here that the lens arrangement is designed such that the imaging scale assumes the value one on average. By for both lens groups 3 . 4 respectively. 300 . 400 the same grid of the respective lens arrangement, ie, a matching arrangement of the individual lenses in the respective plane 30 . 40 is used, the (correspondingly screened) image areas of the lens arrangement go 3 . 4 on the detector 19 generated image immediately continuously into one another.
Eine
Besonderheit bei der in 1 dargestellten
Positionsmesseinrichtung besteht darin, dass der photoelektrische
Detektor 19 keine kreisringförmig strukturierte Oberfläche aufweist,
sondern vielmehr eine linear, geradlinig strukturierte Sensorfläche, wie
sie bei so genannten Längenmesssystemen,
d.h. bei Positionsmesssystemen mit einer linear erstreckten Messteilung
(in Form einer Codespur oder einer Inkrementalspur) verwendet wird.
D.h., der photoelektrische Detektor 19 wird durch einen Opto-ASIC
gebildet, der mit seiner linear strukturierten Oberfläche primär für den Einsatz
bei Längenmesssystemen
vorgesehen ist. Indem ein solcher ASIC zusätzlich auch bei Winkelmesssystemen
bzw. Drehgebern verwendet wird, kann dieser entsprechend kostengünstig in
größeren Stückzahlen
hergestellt werden. Dies reduziert die Herstellungskosten für Positionsmesssysteme.A special feature of the in 1 Darge Position measuring device is that the photoelectric detector 19 does not have a circular structured surface, but rather a linear, rectilinear structured sensor surface, as used in so-called length measuring systems, ie in position measuring systems with a linearly extending measuring graduation (in the form of a code track or an incremental track). That is, the photoelectric detector 19 is formed by an Opto-ASIC, which with its linear structured surface is primarily intended for use in length measuring systems. By using such an ASIC in addition also for angle measuring systems or rotary encoders, it can be produced in large quantities in a correspondingly cost-effective manner. This reduces the manufacturing costs for position measuring systems.
Zur
Verwendung eines linear strukturierten photoelektrischen Detektors 19 bei
einem Positionsmesssystem für
die Winkelmessung gemäß 1 ist es erforderlich, aus
dem durch die kreisringförmige Codespur 20 bzw.
die kreisringförmige
Inkrementalspur 200 gebildeten Lichtmuster ein geradlinig
erstrecktes Abbild auf dem photoelektrischen Detektor 19 zu
erzeugen, wie nachfolgend anhand der 2a und 2b sowie der 3a und bis 3d dargelegt
werden wird. Hierzu dient eine geeigneten Ausbildung der Linsenanordnungen 3, 4 bzw. 300, 400.For using a linear structured photoelectric detector 19 in a position measuring system for angle measurement according to 1 it is necessary from the through the circular code track 20 or the circular incremental track 200 formed light pattern a rectilinearly extended image on the photoelectric detector 19 to generate, as follows based on the 2a and 2 B as well as the 3a and until 3d will be set out. A suitable design of the lens arrangements is used for this 3 . 4 respectively. 300 . 400 ,
2a zeigt ein Ringsegment 21,
der ringförmigen
Codespur 20 aus 1.
Zur Bildung einer ringförmigen
Codespur 20 ist die Ausdehnung a(r) jedes Ringsegments 21 in
Umfangsrichtung U der Codespur 20 abhängig von dem Abstand r von
der Drehachse D der Positionsmesseinrichtung. 2a shows a ring segment 21 , the ring-shaped code track 20 out 1 , To form an annular code track 20 is the extension a (r) of each ring segment 21 in the circumferential direction U of the code track 20 depending on the distance r from the axis of rotation D of the position measuring device.
Zur
Erzeugung eines linear erstreckten Abbildes aus einer aus Ringsegmenten 21 gemäß 2a bestehenden Codespur 20 müssen die
einzelnen Ringsegmente 21 in rechteckförmige Abbilder 21' mit ortsunabhängiger Breite
b überführt werden, wie
in 2a dargestellt. Dabei
wird der Abbildungsmaßstab
so gewählt,
dass die Breite b des rechteckförmigen
Abbildes 21' eines
Ringsegmentes 21 der Breite a(r0)
des Ringsegmentes bei dem Radius r0 entspricht,
der in radialer Richtung r betrachtet die Mitte des Ringsegmentes 20 angibt.
Mit anderen Worten ausgedrückt
ist der Wert r0 so gewählt, dass von dem Wert r0 ausgehend die Ringsegmente 21 sich
in radialer Richtung um den gleichen Betrag nach außen und
nach innen (d.h. weg von der Drehachse D bzw. hin zu der Drehachse
D) erstrecken. Die Punkte mit dem Abstand r0 von
der Drehachse D bezeichnen somit die gekrümmte Mittellinie der Ringsegmente 21 und
damit der ringförmigen
Codespur 20 insgesamt.To generate a linearly extended image from one of ring segments 21 according to 2a existing code track 20 the individual ring segments 21 in rectangular images 21 ' be transferred with location-independent width b, as in 2a shown. The imaging scale is chosen so that the width b of the rectangular image 21 ' of a ring segment 21 corresponds to the width a (r 0 ) of the ring segment at the radius r 0 , which, viewed in the radial direction r, corresponds to the center of the ring segment 20 indicates. In other words, the value r 0 is chosen such that the ring segments start from the value r 0 21 extend in the radial direction by the same amount outwards and inwards (ie away from the axis of rotation D or towards the axis of rotation D). The points with the distance r 0 from the axis of rotation D thus denote the curved center line of the ring segments 21 and thus the ring-shaped code track 20 all in all.
Zur
Schaffung eines rechteckförmigen
Abbildes 21' aus
einem Ringsegment 21 gemäß 2a ist wird vorliegend eine Abbildung
herangezogen, bei der die Bereiche des Ringsegmentes 21,
die innerhalb der durch den mittleren Radiuswert r0 definierten Mittellinie
liegen, verbreitert werden, während
diejenigen Bereiche des jeweiligen Ringsegmentes 21, die
außerhalb
der durch den mittleren Radius r0 definierten
Mittellinie liegen, in ihrer Ausdehnung a(r) reduziert werden. Auf
der durch den mittleren Radius r0 definierten
Mittellinie selbst soll die Ausdehnung a(r0) des
Ringsegmentes 21 bei der Transformation unverändert bleiben,
d.h. sie soll der Breite b des bei der Transformation erzeugten,
rechteckförmigen
Abbildes 21' entsprechen.
Dies entspricht einer Abbildung mit einem radiusabhängigen Maßstab, der
radiusabhängig
um einen mittleren Wert 1 schwankt. Speziell für die Transformation der Ringsegmente
eines Kreisringes auf ein rechteckförmiges Abbild eignet sich der
Abbildungsmaßstab β(r) = r0/r. Selbstverständlich kann auch eine andere
Bezugslinie als die durch den mittleren Radius r0 definierte
Mittellinie für die
Transformation verwendet werden. Nachfolgend wird jedoch weiterhin
beispielhaft von dem mittlere Radius r0 des
Ringsegmentes 21 als Bezugspunkt ausgegangen werden.To create a rectangular image 21 ' from a ring segment 21 according to 2a In the present case, an illustration is used in which the areas of the ring segment 21 that lie within the center line defined by the mean radius value r 0 are broadened, while those areas of the respective ring segment 21 which lie outside the center line defined by the mean radius r 0 are reduced in their extent a (r). The extension a (r 0 ) of the ring segment should be on the center line defined by the mean radius r 0 21 remain unchanged during the transformation, ie it should be the width b of the rectangular image generated during the transformation 21 ' correspond. This corresponds to an illustration with a radius-dependent scale that fluctuates around an average value 1 depending on the radius. The imaging scale β (r) = r 0 / r is particularly suitable for the transformation of the ring segments of a circular ring to a rectangular image. Of course, a reference line other than the center line defined by the mean radius r 0 can also be used for the transformation. In the following, however, the average radius r 0 of the ring segment continues to be exemplary 21 be taken as the reference point.
Die
tatsächliche,
radiusabhängige
Variation des Abbildungsmaßstabes β(r) ist in
der Praxis sehr klein. Bei einem typischen Spurradius (entsprechend dem
mittleren Abstand r0 der Ringsegmente 21 von der
Drehachse D) von r0 = 20 mm und einer Spurhöhe (entsprechend
der radialen Ausdehnung der Ringsegmente 21) von 1 mm variiert
der Abbildungsmaßstab β(r) zwischen
0.975 und 1.025.The actual, radius-dependent variation of the imaging scale β (r) is very small in practice. With a typical track radius (corresponding to the mean distance r 0 of the ring segments 21 from the axis of rotation D) of r 0 = 20 mm and a track height (corresponding to the radial extent of the ring segments 21 ) of 1 mm, the magnification β (r) varies between 0.975 and 1.025.
2b zeigt nochmals ein Ringsegment 21, das
sich in radialer Richtung r von einem inneren Radius r1 bis
zu einem äußeren Radius
r2 erstreckt und einen mittleren Radius
r0 aufweist und das im Umfangsrichtung U
des entsprechenden Kreisringes eine variable, radiusabhängige Breite
aufweist. Alle Punkte dieses Ringsegmentes 21 lassen sich
beschreiben durch einen Ortsvektor r = r(r, φ), d.h. jeder Ortsvektor r
eines Kreissegmentes 21 wird dargestellt durch den Radius
r sowie die Winkellage φ des jeweiligen
Punktes. Bezeichnet man mit φ0 denjenigen Winkel, auf dem die in radialer
Richtung verlaufende Winkelhalbierende des Ringsegmentes 21 liegt
(d.h., dass sich das Ringsegment 21 von dieser Winkelhalbierenden
aus in Umfangsrichtung U sowohl im Uhrzeigersinn als auch entgegen
dem Uhrzeigersinn jeweils um einen identischen Betrag δφ/2 erstreckt),
so lässt
sich jeder Ortsvektor r wie folgt schreiben: r
= r(r, φ)
= r(r, φ – φ0 + φ0). 2 B shows another ring segment 21 , which extends in the radial direction r from an inner radius r 1 to an outer radius r 2 and has an average radius r 0 and which has a variable, radius-dependent width in the circumferential direction U of the corresponding circular ring. All points of this ring segment 21 can be described by a location vector r = r (r, φ), ie each location vector r of a circle segment 21 is represented by the radius r and the angular position φ of the respective point. One designates with φ 0 that angle at which the bisector of the ring segment running in the radial direction 21 lies (ie that the ring segment 21 from this bisector in the circumferential direction U both clockwise and counterclockwise by an identical amount δφ / 2), each position vector r can be written as follows: r = r (r, φ) = r (r, φ - φ 0 + φ 0 ).
Zur
Abbildung eines Ringsegmentes 21, das durch die oben angegebenen
Ortsvektoren r beschrieben wird, auf ein rechteckförmiges Abbild 21' mit konstanter
Breite b müssen
alle Punkte des Ringsegmentes 21, die jeweils in radialer
Richtung verlaufen, in zwei parallele Begrenzungslinien mit konstantem
Abstand b überführt werden.
Eine entsprechende Transformation von einem Punkt r des Ringsegmentes 21 auf
einen Punkt r' des
rechteckförmigen Abbildes 21' ist in 2b dargestellt. Diese Transformation
lässt sich
formulieren als r(r, φ) = r(r, φ – φ0 + φ0) → r'(r, φ) = r(r,
(φ – φ0)·(r0/r) + φ0) For the illustration of a ring segment 21 , which is described by the location vectors r given above, onto a rectangular image 21 ' with constant width b must all points of the ring segment's 21 , each of which runs in the radial direction, are transferred into two parallel boundary lines with constant distance b. A corresponding transformation from a point r of the ring segment 21 to a point r 'of the rectangular image 21 ' is in 2 B shown. This transformation can be formulated as r (r, φ) = r (r, φ - φ 0 + φ 0 ) → r '(r, φ) = r (r, (φ - φ 0 ) * (R 0 / r) + φ 0 )
Hierbei
bezeichnen r und φ die
Koordinaten eines jeweiligen Punktes r oder r' des Ringsegmentes 21 bzw.
des Abbildes 21' und φ0 bezeichnet die Winkellage der radial erstreckten
Mittellinie sowohl des Ringsegmentes 21 als auch des Abbildes 21', d.h. die Winkelhalbierende
bleibt bei der Transformation unverändert, ebenso wie die Punkte
r mit dem mittleren Radiuswert r = r0.Here, r and φ denote the coordinates of a respective point r or r 'of the ring segment 21 or the image 21 ' and φ 0 denotes the angular position of the radially extending center line of both the ring segment 21 as well as the image 21 ' , ie the bisector remains unchanged during the transformation, just like the points r with the mean radius value r = r 0 .
Die
Transformation findet unter Erhaltung des Radiuswertes r statt,
erfolgt also tangential, indem Winkel, die im Ringsegment 21 (φ – φ0) betrugen, beim Radiuswert r auf Winkelwerte
vom Betrage (φ – φ0)·(r0/r) im Abbild 21' verkleinert/vergrößert werden,
je nachdem, ob r > r0 oder r < r0 ist.The transformation takes place while maintaining the radius value r, that is to say it is tangential by making angles in the ring segment 21 (φ - φ 0 ), with radius r to angular values of the amount (φ - φ 0 ) · (r 0 / r) in the image 21 ' be reduced / enlarged, depending on whether r> r 0 or r <r 0 .
Mit
(φ – φ0) = ± δφ/2 könnte man
auch schreiben: r(r, δφ/2) = r(r, ± δφ/2 + φ0) → r'(r, δφ/2) = r(r,
(± δφ/2)·(r0/r) + φ0) With (φ - φ 0 ) = ± δφ / 2 one could also write: r (r, δφ / 2) = r (r, ± δφ / 2 + φ 0 ) → r '(r, δφ / 2) = r (r, (± δφ / 2) · (r 0 / r) + φ 0 )
In
sämtlichen
Figuren sind die Vektorpfeile der Vektoren r, r' usw. aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht bis
zur Drehachse D der Positionsmesseinrichtung durchgezogen. Ausgangspunkt
der Vektoren soll aber in jedem Falle diese Drehachse D sein.In
all
Figures are the vector arrows of the vectors r, r 'etc. for reasons of clarity, not to
pulled to the axis of rotation D of the position measuring device. starting point
the vectors should in any case be this axis of rotation D.
Jeder
Ortsvektor R des Ringsegmentes wird also dargestellt durch die Koordinaten
r und φ,
wobei r den radialen Abstand des jeweiligen Punktes von der Drehachse
D der Positionsmesseinrichtung angibt und φ den Winkel in Umfangsrichtung
bezeichnet.Everyone
The position vector R of the ring segment is therefore represented by the coordinates
r and φ,
where r is the radial distance of the respective point from the axis of rotation
D indicates the position measuring device and φ the angle in the circumferential direction
designated.
Anhand
der 2a und 2b wurde zunächst eine
Transformation erläutert,
der jedes einzelne Ringsegment 21 der Codespur 20 unterzogen
werden – muss,
um aus der kreisringförmig
erstreckten Codespur 20 ein linear erstrecktes Abbild auf
dem fotoelektrischen Detektor 19 (vgl. 1) zu erzeugen. Die Transformation der
einzelnen Ringsegmente 21 in rechteckförmige Abbilder 21' genügt jedoch
noch nicht zur Erzeugung eines linear erstreckten Abbildes der Codespur 20 insgesamt.
Hierzu ist es ferner erforderlich, die einzelnen rechteckförmigen Abbilder 21' derart linear hintereinander
anzuordnen, dass sie ohne Überlapp
aneinander anschließen.
Dies wird nachfolgend anhand der 3a bis 3d erläutert.Based on 2a and 2 B first a transformation was explained, the each ring segment 21 the code track 20 undergo - must to get out of the circularly stretched code track 20 a linearly extended image on the photoelectric detector 19 (see. 1 ) to create. The transformation of the individual ring segments 21 in rectangular images 21 ' However, it is not yet sufficient to generate a linearly extended image of the code track 20 all in all. For this it is also necessary to have the individual rectangular images 21 ' to be arranged linearly one after the other such that they connect to one another without overlap. This is explained below using the 3a to 3d explained.
3a zeigt mehrere Ringsegmente 21 der Codespur 20,
die in Umfangsrichtung U der Codespur hintereinander angeordnet
sind und die jeweils die anhand der 2a und 2b erläuterte Geometrie aufweisen. 3b zeigt nochmals die Ringsegmente 21 aus 3a, und zwar vor einem Hintergrundraster
H mit rechteckförmigen
Rastabschnitten konstanter Breite, in denen die einzelnen Ringsegmente 21' zur Erzeugung
der gewünschten,
rechteckförmigen Abbilder 21' angeordnet
werden müssen.
Die Breite der einzelnen Rastabschnitte der Hintergrundrasterung
H ist dabei so gewählt,
dass sie der Breite b der Ringsegmente 21 auf der Höhe der Spurradius
r0 entsprechen, entsprechend der anhand 2b bereits erläuterten
Zuordnung b = a (r0). 3a shows several ring segments 21 the code track 20 , which are arranged one behind the other in the circumferential direction U of the code track and which are each based on the 2a and 2 B have explained geometry. 3b shows the ring segments again 21 out 3a , namely against a background grid H with rectangular locking sections of constant width, in which the individual ring segments 21 ' to create the desired rectangular images 21 ' must be arranged. The width of the individual latching sections of the background screening H is chosen so that it corresponds to the width b of the ring segments 21 correspond to the height of the track radius r 0 , according to the 2 B already explained assignment b = a (r 0 ).
3c zeigt die Abbilder 21' der Ringsegmente 21 vor
dem Hintergrundraster H, die durch eine Transformation der einzelnen
Ringsegmente 21 in rechteckförmige Abbilder 21' erzeugt worden
sind. Anhand 3c wird
deutlich, dass die gemäß 2a und 2b durch Transformation aus den einzelnen
Ringsegmenten 21 erzeugten Abbilder 21' nicht linear
hintereinander, sondern winklig zueinander angeordnet sind und sich
entlang des Spurradius r0 schneiden. Benachbarte
rechteckförmige
Abbilder 21' sind
jeweils um einen Winkel δϕ zueinander
verkippt, der der Winkelerstreckung der einzelnen Ringsegmente 21 in
Umfangsrichtung U entspricht, vgl. 2b. 3c shows the images 21 ' of the ring segments 21 against the background grid H, by a transformation of the individual ring segments 21 in rectangular images 21 ' have been generated. Based 3c it becomes clear that the according 2a and 2 B through transformation from the individual ring segments 21 generated images 21 ' are not arranged linearly one behind the other, but at an angle to each other and intersect along the track radius r 0 . Adjacent rectangular images 21 ' are each tilted by an angle δϕ to each other, which is the angular extent of the individual ring segments 21 corresponds in the circumferential direction U, cf. 2 B ,
Die
Aufgabe besteht nur darin, die rechteckförmigen Abbilder 21' derart zu verkippen,
dass sie anschließend
in dem Hintergrundraster H entlang einer Geraden G geradlinig hintereinander
angeordnet sind, vgl. 3d.
Hierzu wird eines der rechteckförmigen
Abbilder 21' als
zentrales, unverkipptes Rechteck definiert und alte anderen rechteckförmigen Abbilder 21' müssen um
ein Vielfaches des Kippwinkels δϕ um
ihren jeweiligen Schwerpunkt derart verkippt werden, dass sie parallel
zu dem als unverkippt definierten zentralen Abbild erstreckt sind.The only task is to create the rectangular images 21 ' tilt such that they are then arranged in a straight line one behind the other in the background grid H, cf. 3d , For this, one of the rectangular images 21 ' defined as a central, untilted rectangle and old other rectangular images 21 ' must be tilted by a multiple of the tilt angle δϕ around their respective center of gravity in such a way that they extend parallel to the central image defined as not tilted.
In
den 3a bis 3d wurden die Erzeugung rechteckförmiger Abbilder 21' aus den Ringsegmenten 21 und
das anschließende
Verkippen der Abbilder 21' zur
Erzeugung einer linearen Anordnung entlang einer Geraden G als zwei
separate, hintereinander ablaufende Transformationsschritte dargestellt. Eine
solche Transformation wird nachfolgend näher erläutert werden. Es ist jedoch
ebenso möglich,
eine Transformation von einer ringartigen Codespur 20 zu einem
linear erstreckten Abbild 20' zu
wählen,
bei der die Bildung rechteckförmiger
Abbilder 21' und
die lineare Anordnung der Abbilder 21' hintereinander nicht durch separate
Transformationsschritte erzeugt werden, sondern vielmehr unmittelbar
zusammenhängen.
Dies resultiert aus der Freiheit bei der Wahl der Abbildung, die
von der ringförmigen
Codespur 20 zu dem linear erstreckten Abbild 20' führt.In the 3a to 3d became the creation of rectangular images 21 ' from the ring segments 21 and then tilting the images 21 ' to generate a linear arrangement along a straight line G as two separate, successive transformation steps. Such a transformation will be explained in more detail below. However, it is also possible to transform from a ring-like code track 20 to a linearly extended image 20 ' to choose where the formation of rectangular images 21 ' and the linear arrangement of the images 21 ' are not generated one after the other by separate transformation steps, but rather are directly related. This results from the freedom in choosing the image from the ring-shaped code track 20 to the linearly extended image 20 ' leads.
Für die gesamte
Abbildung, die aus der ringartigen Codespur 20 das längserstreckte
Abbild 20' erzeugt,
gilt, dass der Abbildungsmaßstab β(r) = r0/r sein soll. Denn nur mit diesem Abbildungsmaßstab wird
die gewünschte
Erzeugung rechteckförmiger Abbilder 21' aus den einzelnen
Ringsegmenten 21 der Codespur 20 erreicht. Der
Abbildungsmaßstab β(r) setzt
sich multiplikativ zusammen aus den Abbildungsmaßstäben β1(r)
und β2(r) der ersten bzw. zweiten Linsengruppe 3 bzw. 4 der
der Codespur zugeordneten Linsenanordnung. Es gibt offensichtlich eine
Vielzahl von Möglichkeiten,
um durch multiplikative Verknüpfung
der Abbildungsmaßstäbe β1(r)
und β2(r) zweier Abbildungen den Abbildungsmaßstab β(r) = r0/r einer Gesamtabbildung zu erhalten. Im
Sinne des anhand der 3a bis 3d beschriebenen Ausführungsbeispiels
sei nachfolgend β2(r) = –1
und dementsprechend β1(r) = –r0/r. Demnach wird aus den einzelnen Segmenten 21 der
ringförmigen
Codespur 20 schon bei der ersten Abbildung mittels der hierfür vorgesehenen,
in einer Ebene 30 angeordneten Linsengruppe 3 aus
jedem Ringsegment 21 ein rechteckförmiges Abbild 21' erzeugt, entsprechend den 3b und 3c. Es besteht dann jedoch die anhand 3c erläuterte Verkippung der Abbilder 21' zueinander,
die sich für
jedes rechteckförmige
Abbild 21' als
ein ganzzahliges Vielfaches des vorstehend definierten Winkels δϕ bezüglich eines
zentralen Referenzabbildes 21' darstellen lässt. Dabei hat der n-te Nachbar
des als unverkippt definierten Abbildes 21' gegenüber diesem jeweils den Kippwinkel
n·δϕ.For the entire illustration, which comes from the ring-like code track 20 the elongated image 20 ' generated, it applies that the imaging scale should be β (r) = r 0 / r. Because only with this image scale is the desired generation of rectangular images possible 21 ' from the individual ring segments 21 the code track 20 reached. The magnification β (r) is multiplied by the magnifications β 1 (r) and β 2 (r) of the first and second lens groups 3 respectively. 4 the lens arrangement assigned to the code track. Obviously, there are a multitude of ways to obtain the image scale β (r) = r 0 / r of an overall image by multiplicative linking of the image scales β 1 (r) and β 2 (r) of two images. In the sense of using the 3a to 3d The exemplary embodiment described below is β 2 (r) = −1 and accordingly β 1 (r) = –r 0 / r. Accordingly, the individual segments 21 the ring-shaped code track 20 already at the first image using the provided one level 30 arranged lens group 3 from every ring segment 21 a rectangular image 21 ' generated according to the 3b and 3c , However, there is then based on 3c explained tilting of the images 21 ' to each other, which is common to each rectangular image 21 ' as an integer multiple of the above-defined angle δϕ with respect to a central reference image 21 ' can be represented. The nth neighbor has the image defined as untilted 21 ' compared to this, the tilt angle n · δϕ.
Damit
die zweite Abbildung den Kippwinkel jedes rechteckförmigen Abbildes 21' auf den Wert Null
korrigiert, müssen
die Scheitellinien der Linsen der zweiten Linsengruppe 4 definierte
Bedingungen erfüllen,
die nachfolgend anhand der 4a und 4b näher erläutert werden.So that the second image is the tilt angle of each rectangular image 21 ' Corrected to zero, the apex lines of the lenses of the second lens group 4 defined conditions, which are based on the 4a and 4b are explained in more detail.
Ausgangspunkt
für die
nachfolgenden Ausführungen
unter ergänzender
Bezugnahme auf die 4a und 4b ist das Problem, wie die
einzelnen Linsen der beiden Linsengruppen 3, 4 der
der Codespur 20 zugeordneten Linsenanordnung ausgebildet
sein müssen
und wie diese Linsen in der jeweiligen Ebene 30 bzw. 40 zu
einer Gruppe zusammengefasst sein müssen, damit die vorstehend
erläuterte
Abbildung einer ringförmig
erstreckten Codespur 20 auf ein linear erstrecktes Abbild 20' durchgeführt werden
kann.Starting point for the following explanations with additional reference to the 4a and 4b the problem is how the individual lenses of the two lens groups 3 . 4 that of the code track 20 associated lens arrangement must be designed and how these lenses in the respective plane 30 respectively. 40 must be combined into a group, so that the above-described illustration of a ring-shaped code track 20 on a linearly extended image 20 ' can be carried out.
Wie
bereits anhand der 1 erläutert, wird zur
Abbildung der Codespur 20 auf den fotoelektrischen Detektor 19 eine
Linsenanordnung 3, 4 verwendet, die aus zwei in
jeweils einer Ebene 30 bzw. 40 angeordneten Linsengruppen
(Mikrolinsen-Arrays) besteht, die vorzugsweise senkrecht zur optischen
Achse ausgerichtet sind und sich sowohl parallel zu dem Codeträger 2 als
auch parallel zu der strahlungsempfindlichen Oberfläche des
fotoelektrischen Detektors 19 erstrecken. Diese parallele
Anordnung der einzelnen Bestandteile der Positionsmesseinrichtung
erleichtert die Montage. Bei einer derartigen Anordnung muss zur
Erzielung des gewünschten
Abbildungsmaßstabes β(r) = r0/r mittels der bekannten, paraxialen Abbildungsgleichungen die
Ortsabhängigkeit
der Brennweiten f1 und f2 der ersten
und zweiten Abbildung bzw. der ersten Linsengruppe 3 und
der zweiten Linsengruppe 4 bestimmt werden, d.h., f1 = f1(r) und f2 = f2(r). Sofern
der ortsabhängige
Abbildungsmaßstab,
wie vorstehend erläutert,
insbesondere mittels der ersten Abbildung realisiert wird, ist die
Abhängigkeit
vom Radius r (d.h. dem Abstand von der Drehachse D) insbesondere bei
der Brennweite f1 der ersten Abbildung zu
berücksichtigen.As already with the 1 is explained to map the code track 20 on the photoelectric detector 19 a lens arrangement 3 . 4 used that consist of two in each level 30 respectively. 40 arranged lens groups (microlens arrays), which are preferably aligned perpendicular to the optical axis and both parallel to the code carrier 2 as well as parallel to the radiation sensitive surface of the photoelectric detector 19 extend. This parallel arrangement of the individual components of the position measuring device facilitates assembly. With such an arrangement, the location-dependent dependence of the focal lengths f 1 and f 2 of the first and second images or of the first lens group must be achieved using the known, paraxial imaging equations in order to achieve the desired imaging scale β (r) = r 0 / r 3 and the second lens group 4 can be determined, ie, f 1 = f 1 (r) and f 2 = f 2 (r). If the location-dependent imaging scale, as explained above, is realized in particular by means of the first image, the dependence on the radius r (ie the distance from the axis of rotation D) must be taken into account in particular in the focal length f 1 of the first image.
Vorzugsweise
erfolgt eine Abbildung der Strukturen der Maßverkörperung 2 nur in Teilungsrichtung,
d.h. in Erstreckungsrichtung der Messteilung, also in Umfangsrichtung
U; und in radialer Richtung r wird statt dessen eine Schattenprojektion
verwendet. Die verwendeten Linsen 41 ähneln dann Zylinderlinsen,
deren abbildende Achsen in Umfangsrichtung U orientiert sind, vgl.
die Darstellung eines Ausschnittes der zweiten Linsengruppe 4 in 4a. Die Linsen 41 besitzen
eine vom Radius r abhängige Brennweite
f2 und werden vorliegend als modifizierte Zylinderlinsen
bezeichnet. Wie anhand 4a deutlich
wird, sind die einzelnen Linsen 43 jeweils als Ringsegmente
ausgebildet und entlang einer Umfangsrichtung U hintereinander angeordnet.
Anstelle im wesentlichen zylinderförmiger Linsen können z.B. auch
in der Draufsicht im wesentlichen rechteckförmige, elliptische oder radial-symmetrisch
ausgebildete Linsen verwendet werdeThe structures of the material measure are preferably imaged 2 only in the direction of division, ie in the direction of extension of the measuring division, ie in the circumferential direction U; and a shadow projection is used in the radial direction r instead. The lenses used 41 then resemble cylindrical lenses, the imaging axes of which are oriented in the circumferential direction U, cf. the representation of a section of the second lens group 4 in 4a , The lenses 41 have a focal length f 2 that is dependent on the radius r and are referred to in the present case as modified cylindrical lenses. As with 4a what is clear are the individual lenses 43 each formed as a ring segment and arranged one behind the other along a circumferential direction U. Instead of essentially cylindrical lenses, for example, essentially rectangular, elliptical or radially symmetrical lenses can also be used in the plan view
Die
abbildenden Richtungen der Linsen 41 sind in 4a durch Pfeile angedeutet.
Die Scheitellinien 43 der zylinderartig aus der Ebene herausgewölbten Linsen 41 verlaufen
senkrecht zu der Abbildungsrichtung und treffen sich in einem gemeinsamen
Schnittpunkt MS, der außerhalb der Drehachse D bzw.
Mittelachse der Positionsmesseinrichtung liegt, vgl. 1. Die radialen Begrenzungslinien 45 der einzelnen
Linsen 41 treffen sich ebenfalls in einem gemeinsamen Mittelpunkt
ML, wobei dieser Schnittpunkt ML mit
der Drehachse D zusammenfällt, vergleiche 1.The imaging directions of the lenses 41 are in 4a indicated by arrows. The vertex lines 43 the lenses bulging out of the plane like a cylinder 41 run perpendicular to the imaging direction and meet at a common intersection M S , which lies outside the axis of rotation D or central axis of the position measuring device, cf. 1 , The radial boundary lines 45 of the individual lenses 41 also meet at a common center M L , this intersection M L coinciding with the axis of rotation D, compare 1 ,
Die
Linsen der ersten Linsengruppe 3 der Linsenanordnung 3, 4 sind
in der zugehörigen
Ebene 30 in entsprechender Weise ausgebildet und angeordnet
wie die Linsen 41 der zweiten Linsengruppe 4. Es
handelt sich also ebenfalls um modifizierte Zylinderlinsen, die
jeweils ringsegmentartig ausgebildet und entlang einer Umfangsrichtung
U nebeneinander angeordnet sind. Der wesentliche Unterschied besteht
darin, dass gemäß dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel
sich bei der ersten Linsengruppe 3 die Scheibenlinien der
Linsen sowie die Linsenbegrenzungslinien (Übergangslinien von der einen
Linse zur nächsten)
in ein und demselben Punkt MS = ML schneiden, vgl. 1.The lenses of the first lens group 3 the lens arrangement 3 . 4 are in the associated level 30 designed and arranged in a corresponding manner as the lenses 41 the second lens group 4 , It is therefore also a question of modified cylindrical lenses which are each designed in the manner of a ring segment and are arranged alongside one another along a circumferential direction U. The main difference is that according to the present embodiment, the first lens group 3 the disk lines of the lenses and the lens limits Intersection lines (transition lines from one lens to the next) intersect in one and the same point M S = M L , cf. 1 ,
Zu
beachten ist, dass bei der Bestimmung der Brennweiten f1(r)
und f2(r) stets der radiale Abstand r von
der Drehachse D der Positionsmesseinrichtung verwendet und dass
diese Berechnung entlang der Scheitellinie der jeweiligen Achse
erfolgt. Durch die vorstehend erwähnten Konstruktionsvorschriften
für die
einzelnen modifizierten Zylinderlinsen der beiden Linsengruppen 3, 4,
wobei die Brennweiten f1(r) und f2(r) zu den gewünschten Abbildungsmaßstäben β1(r)
und β2(r) führen
müssen,
wird sichergestellt, dass jedes Paar von Einzellinsen der beiden
Linsengruppen 3, 4, das jeweils aus einer Linse
der ersten Linsengruppe 3 und einer entlang der optischen
Achse dahinter angeordneten Linse der zweiten Linsengruppe 4 besteht,
ein zugehöriges, entzerrtes
Teilbild eines Ringsegmentes 21 der kreisringförmig erstreckten
Codespur 20 erzeugt. Diese einzelnen Teilbilder (rechteckförmige 21' der Ringsegmente 21)
müssen
aber gemäß den 3c und 3d derart zueinander positioniert und
orientiert werden, dass ein durchgehendes, entlang einer Geraden
erstrecktes, entzerrtes Gesamtbild 20' entsteht. Dazu müssen die
nachfolgend anhand der 1 und 4b erläuterten weiteren Konstruktionsvorschriften
eingehalten werden.It should be noted that when determining the focal lengths f 1 (r) and f 2 (r), the radial distance r from the axis of rotation D of the position measuring device is always used and that this calculation is carried out along the apex line of the respective axis. By the above-mentioned design instructions for the individual modified cylindrical lenses of the two lens groups 3 . 4 , whereby the focal lengths f 1 (r) and f 2 (r) must lead to the desired image scales β 1 (r) and β 2 (r), it is ensured that each pair of individual lenses of the two lens groups 3 . 4 , each from a lens of the first lens group 3 and a lens of the second lens group arranged behind it along the optical axis 4 there is an associated, rectified drawing of a ring segment 21 the code track extending in a ring 20 generated. These individual drawing files (rectangular 21 'of the ring segments 21 ) must however according to the 3c and 3d are positioned and oriented in relation to one another in such a way that a continuous, rectified overall image that extends along a straight line 20 ' arises. To do this, the following must be based on the 1 and 4b further construction regulations explained are observed.
Die
Lichtstrahlen, die von der Codespur 20 ausgehend auf die
Scheitellinien 33a, 33b von Linsen 31a, 31b der
ersten Linsengruppe 3 treffen, werden in Umfangsrichtung
U nicht abgelenkt. Die für
eine geradlinige Anordnung der Abbilder erforderliche Ablenkung
in Umfangsrichtung, die durch den Vergrößerungsmaßstab β(r) in jeder radialen Position
r vorgegeben ist, muss durch den Versatz in Umfangsrichtung der
Scheitellinien 43a, 43b der entsprechenden Linsen 41a, 41b der
zweiten Linsengruppe 4 erreicht werden.The rays of light coming from the code track 20 starting on the vertex lines 33a . 33b of lentils 31a . 31b the first lens group 3 meet, are not deflected in the circumferential direction U. The deflection in the circumferential direction required for a linear arrangement of the images, which is predetermined by the magnification β (r) in each radial position r, must be due to the offset in the circumferential direction of the apex lines 43a . 43b the corresponding lenses 41a . 41b the second lens group 4 can be achieved.
In 4b sind dabei zwei Zellen 31a, 41a und 31b, 41b der
Linsenanordnung 3, 4 dargestellt, wobei jede Zelle 31a, 41a bzw. 31b, 41b eine
erste Linse 31a bzw. 31b aus der ersten Linsengruppe 3 und
eine entlang der optischen Achse dahinter angeordnete zweite Linse 41a bzw. 41b aus
der zweiten Linsengruppe 4 umfasst. In 4b ist ferner für jede der Zellen 31a, 41a ein
Objekt O (repräsentativ
für einen
Teil der abzubildenden Codespur 20) dargestellt, das über ein
Zwischenbild (zwischen den beiden Linsen 31a, 41a bzw. 31b, 41b der
jeweiligen Zelle) auf ein Bild O' abgebildet
wird.In 4b are two cells 31a . 41a and 31b . 41b the lens arrangement 3 . 4 shown, each cell 31a . 41a respectively. 31b . 41b a first lens 31a respectively. 31b from the first lens group 3 and a second lens arranged behind it along the optical axis 41a respectively. 41b from the second lens group 4 includes. In 4b is also for each of the cells 31a . 41a an object O (representative of part of the code track to be mapped 20 ), which is shown via an intermediate image (between the two lenses 31a . 41a respectively. 31b . 41b the respective cell) is mapped to an image O '.
Wie
anhand 3c deutlich wird,
sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel
die durch die erste Abbildung mit einem Abbildungsmaßstab β(r) = r0/r erzeugten Abbilder 21' (Zwischenbilder
der Gesamtabbildung) für
radiale Abstände
r < r0 von
der Drehachse D der Positionsmesseinrichtung einander überlappend
angeordnet, während
sie für
radiale Abstände
r > r0 voneinander
beabstandet sind. Dementsprechend müssen die Zwischenbilder in
dem Bereich unterhalb der mittleren Umfangslinie r0 (d.h.
für r < r0)
bezüglich
der unverkippten, zentralen Referenzlinse nach außen versetzt
werden, um eine überlappensfreie
Aneinanderreihung zu erzielen. Umgekehrt müssen oberhalb der mittleren
Umfangslinie r0, d.h. für r > r0, die entsprechenden
Bereiche der rechteckförmigen
Zwischenbilder 21' (vgl. 3c) nach innen, zu dem zentralen
Referenz-Abbild hin versetzt werden. Dies bedeutet, dass die Scheitellinien 43a, 43b der
Linsen 41a, 41b der zweiten Linsengruppe – entlang
der optischen Achse betrachtet – für r < r0 bezüglich der
entsprechenden Scheitellinien 33a, 33b der jeweils
zugehörigen
Linsen 31a, 31b in Umfangsrichtung nach außen verschoben
sein müssen
und für
r > r0 in
Umfangsrichtung nach innen versetzt werden müssen. Dies wird dadurch erreicht,
dass sich die Scheitellinien der Linsen der zweiten Linsengruppe 4 in
einem Schnittpunkt MS schneiden, der in
radialer Richtung von dem entsprechenden Schnittpunkt MS der
Linsen der ersten Linsengruppe 3 beabstandet ist. Dabei
fällt vorliegend
der Schnittpunkt MS der Scheitellinien der
Linsen der ersten Linsengruppe 3 mit dem Schnittpunkt der
Linsenbegrenzungslinien ML und mit der Drehachse
D der Positionsmesseinrichtung zusammen, vgl. 1. Demgegenüber liegt der Schnittpunkt
MS der Scheitellinien der Linsen der zweiten
Linsengruppe 4 außerhalb
der Drehachse, und zwar, von den entsprechenden Linsen der Linsengruppe 4 her
gesehen, in radialer Richtung hinter der Drehachse D. Hierdurch
lässt sich
erreichen, dass sich die Scheitellinien 33a, 43a bzw. 33b, 43b der
Linsen 31a, 40a bzw. 31b, 41b einer
Zelle – entlang
der optischen Achse betrachtet – jeweils
in einem Punkt mit dem Radius r0 kreuzen,
entsprechend der obigen Vorgabe für das Verschieben der Scheitellinien
der Linsen der zweiten Linsengruppe 4 bezüglich der
Scheitellinien der Linsen der ersten Linsengruppe in Umfangsrichtung
nach außen
oder nach innen, je nachdem, ob r < r0 oder r > r0.As with 3c it is clear in the present exemplary embodiment are the images produced by the first image with an image scale β (r) = r 0 / r 21 ' (Intermediate images of the overall image) for radial distances r <r 0 from the axis of rotation D of the position measuring device are arranged to overlap one another, while for radial distances r> r 0 they are spaced apart. Accordingly, the intermediate images in the area below the central circumferential line r 0 (ie for r <r 0 ) have to be displaced outwards with respect to the untilted, central reference lens in order to achieve an overlap-free sequence. Conversely, above the middle circumferential line r 0 , ie for r> r 0 , the corresponding areas of the rectangular intermediate images 21 ' (see. 3c ) inwards, towards the central reference image. This means the apex lines 43a . 43b of the lenses 41a . 41b the second lens group - viewed along the optical axis - for r <r 0 with respect to the corresponding apex lines 33a . 33b the associated lenses 31a . 31b must be shifted outwards in the circumferential direction and displaced inwards for r> r 0 in the circumferential direction. This is achieved in that the apex lines of the lenses of the second lens group 4 cut at an intersection M S in the radial direction from the corresponding intersection M S of the lenses of the first lens group 3 is spaced. In the present case, the intersection M S of the apex lines of the lenses of the first lens group falls 3 with the intersection of the lens boundary lines M L and with the axis of rotation D of the position measuring device, cf. 1 , In contrast, lies the intersection M S of the apex lines of the lenses of the second lens group 4 outside the axis of rotation, namely, from the corresponding lenses of the lens group 4 Seen here, in the radial direction behind the axis of rotation D. This can be achieved that the apex lines 33a . 43a respectively. 33b . 43b of the lenses 31a . 40a respectively. 31b . 41b of a cell - viewed along the optical axis - each cross at a point with the radius r 0 , in accordance with the above specification for shifting the apex lines of the lenses of the second lens group 4 with respect to the apex lines of the lenses of the first lens group in the circumferential direction outwards or inwards, depending on whether r <r 0 or r> r 0 .
Anhand
der Schnittdarstellung in 4b durch
zwei Zellen 31a, 41a und 31b, 41b der
Linsenanordnung 3, 4 für einen bestimmten Radius r
wird der Versatz δsn bzw. δsn-1 der Scheitellinien 43a, 43b der
zweiten Linsen 41a, 41b der jeweiligen Zelle bezüglich der
Scheitellinien 33a, 33b der ersten Linsen 31a, 31b der
jeweiligen Zelle deutlich. Dieser Versatz ist für einen bestimmten Radius r
jeweils abhängig von
dem Abstand der entsprechenden Zelle von derjenigen Zelle, die zur
Abbildung des als Referenzsegment dienenden, nicht zu verkippenden
Zwischenbildes (entsprechend dem zentralen Zwischenbild 21' in 3c) dient. Hieraus ergibt
sich ein entsprechender Versatz des Abbildes O' eines Objektes O δSn bzw. δSn-1 senkrecht zur optischen Achse bezüglich des jeweils
abzubildenden Objektes O. Durch diesen radiusabhängigen Versatz der in 3c dargestellten Zwischenbilder 21' nach innen
(für große Radien) bzw.
nach außen
(für kleine
Radien) erhält
man schließlich
die lineare Anordnung der rechteckförmigen Abbilder 21' entlang einer
Geraden g, entsprechend 3d.Based on the sectional view in 4b through two cells 31a . 41a and 31b . 41b the lens arrangement 3 . 4 for a certain radius r, the offset δs n or δs n-1 of the apex lines 43a . 43b the second lens 41a . 41b the respective cell with respect to the apex lines 33a . 33b the first lenses 31a . 31b of the respective cell clearly. For a certain radius r, this offset is in each case dependent on the distance of the corresponding cell from that cell which is used to image the intermediate image which serves as a reference segment and does not have to be tilted (corresponding to the central intermediate image 21 ' in 3c ) serves. This results in a corresponding offset of the image O 'of an object O δS n or δS n-1 perpendicular to the optical axis with respect to the object O to be imaged. This ra dius-dependent offset of the in 3c shown intermediate images 21 ' the linear arrangement of the rectangular images is finally obtained inwards (for large radii) or outwards (for small radii) 21 ' along a straight line g, accordingly 3d ,
Im
Ergebnis verläuft
für die
n-te Zelle der Linsenanordnung 3, 4 – von derjenigen
Zelle aus betrachtet, mittels der das als Referenzelement definierte,
zentrale, nicht zu verkipppende rechteckförmige Zwischenbild 21' (vgl. 3c) abgebildet wird – die Scheitellinie 43a der
zweiten Linse 41a genau entlang der Winkelhalbierenden
von n·δφ durch den Schnittpunkt
aus der mittleren Umfangslinie bei r = r0 und
der Linie φ =
n·δφ. Dies ist
eine unmittelbare Folge des Abbildungsmaßstabes β2(r)
= –1 für die zweite Abbildung.As a result, the lens array runs for the nth cell 3 . 4 - Viewed from that cell, by means of which the central, non-tiltable, rectangular intermediate image defined as the reference element 21 ' (see. 3c ) is shown - the apex line 43a the second lens 41a exactly along the bisector of n · δφ through the intersection from the middle circumferential line at r = r 0 and the line φ = n · δφ. This is a direct consequence of the image scale β 2 (r) = –1 for the second image.
Liegt
dem zweiten Abbildungsmaßstab β2(r) =
c ein Wert c ≠ 1
zugrunde, so müsste
die Scheitellinien der jeweiligen zweiten Linse entlang einer Linie verlaufen,
deren Neigung zwischen 0° und
n·δϕ im Verhältnis c:1
steht. Falls der Abbildungsmaßstab β2(r)
nicht konstant (radiusunabhängig)
sein sollte, dann wäre
die Scheitellinie der zweiten Linse nicht mehr als Gerade darzustellen,
sondern würde
entlang einer gekrümmten
Linie verlaufen.If the second imaging scale β 2 (r) = c is based on a value c ≠ 1, the apex lines of the respective second lens would have to run along a line whose inclination is in the ratio c: 1 between 0 ° and n · δϕ. If the imaging scale β 2 (r) should not be constant (radius-independent), then the apex line of the second lens would no longer be represented as a straight line, but would run along a curved line.
Weitere
Konstruktionsvorschriften für
die Linsenanordnung betreffen die Linsenbegrenzungslinien, vgl.
die Linsenbegrenzungslinien 45 für die Linsen 41 der
zweiten Linsengruppe 4 in 4a.
Für die Erzeugung
einer definierten Abbildung der Codespur 20 auf dem fotoelektrischen
Detektor 19 muss das Übersprechen
zwischen benachbarten Zellen der Linsenanordnung (vgl. 4b) verhindert werden. Das
heißt,
solche Lichtstrahlen, die zunächst
eine erste Linse 31a einer Zelle 31a, 41a passieren,
sollen anschließend
zu der zweiten Linse 41a derselben Zelle gelangen, nicht
aber zu einer zweiten Linse 41b einer benachbarten Zelle 31b, 41b.
Ein Verschieben der Linsenbegrenzungslinien 45 (vgl. 4a) der Linsen 41 der
zweiten Linsengruppe relativ zu den Linsen der ersten Linsengruppe
(entsprechend der vorstehend erläuterten
Verschiebung der Scheitellinien der Linsen) würde das Übersprechen noch verstärken. Die
Linsenbegrenzungslinien beider Linsengruppen sollten daher übereinstimmen,
also – entlang
der optischen Achse betrachtet – übereinander liegen
und sich insbesondere nicht kreuzen. Dies bedeutet, dass die Schnittpunkte
ML der Linsenbegrenzungslinien der ersten
Linsengruppe 3 und der zweiten Linsengruppe 4 in
radialer Richtung auf gleicher Höhe
liegen. Vorliegend liegen beide Mittelpunkte ML auf
der Drehachse D der Positionsmesseinrichtung. Es sind also entlang
der radialen Richtung ausschließlich
die Schnittpunkte MS der Scheitellinien der
Linsen nicht aber die Schnittpunkte der Linsenbegrenzungslinien
ML zueinander versetzt. Das heißt, bezüglich ihrer äußeren Begrenzungslinien
sind die Linsen – bei
Betrachtung entlang der optischen Achse, also senkrecht zur Erstreckungsebene 30, 40 der beiden
Linsengruppen 3, 4 – deckungsgleich. Unterschiede
bestehen lediglich in der Krümmung
der Linsen der ersten und zweiten Linsengruppe 3, 4 aus der
jeweiligen Ebene 30, 40 heraus und damit auch in
dem Verlauf der entsprechenden Scheitellinien der Linsen.Further design regulations for the lens arrangement concern the lens boundary lines, cf. the lens boundary lines 45 for the lenses 41 the second lens group 4 in 4a , For the generation of a defined image of the code track 20 on the photoelectric detector 19 the crosstalk between neighboring cells of the lens arrangement (cf. 4b ) be prevented. That is, those rays of light that initially have a first lens 31a a cell 31a . 41a should then pass to the second lens 41a same cell, but not to a second lens 41b an adjacent cell 31b . 41b , Moving the lens boundary lines 45 (see. 4a ) of the lenses 41 the second lens group relative to the lenses of the first lens group (corresponding to the above-described displacement of the apex lines of the lenses) would increase the crosstalk. The lens boundary lines of the two lens groups should therefore agree, that is, when viewed along the optical axis, they lie one above the other and in particular should not cross. This means that the intersection points M L of the lens boundary lines of the first lens group 3 and the second lens group 4 lie at the same height in the radial direction. In the present case, both center points M L lie on the axis of rotation D of the position measuring device. Thus, only the intersection points M S of the apex lines of the lenses are offset along the radial direction, but not the intersection points of the lens delimitation lines M L. This means that the lenses are in relation to their outer boundary lines - when viewed along the optical axis, that is to say perpendicular to the plane of extension 30 . 40 of the two lens groups 3 . 4 - congruent. The only differences are in the curvature of the lenses of the first and second lens groups 3 . 4 from the respective level 30 . 40 out and thus also in the course of the corresponding apex lines of the lenses.
Für eine Reduktion
des Übersprechens
kann gemäß 5 ferner eine Blendenstruktur 5 vorgesehen
sein, bestehend aus Blendenelementen 51, die jeweils zwischen
benachbarten Einzellinsen 41 der zweiten Linsengruppe 4 angeordnet
sind, also die radial verlaufenden Linsenbegrenzungslinien überdecken.For a reduction in crosstalk, according to 5 also an aperture structure 5 be provided, consisting of panel elements 51 , each between adjacent individual lenses 41 the second lens group 4 are arranged, that is, they cover the radially extending lens boundary lines.
Um
einen Helligkeitsabfall (Vignettieren) im Bereich der seitlichen,
Linsenbegrenzungslinien zu vermeiden, können, wie anhand 6 beispielhaft für Linsen 31, 32 der
ersten Linsengruppe 3 dargestellt, der abzubildenden Codespur 20 Linsengruppen 3, 4 zugeordnet
seien, die jeweils mehrere, in radialer Richtung nebeneinander angeordnete
ringförmige
Mikrolinsen-Arrays umfassen, welche jeweils um eine halbe azimutale
Linsenbreite zueinander versetzt sind, so dass die Linsen-Mittelpunkte (Schwerpunkte)
der einzelnen Linsen 31, 32 usw. entlang mehrerer
(vorliegend entlang zweier) konzentrischer Kreislinien angeordnet
sind.In order to avoid a drop in brightness (vignetting) in the area of the lateral lens boundary lines, you can use 6 exemplary for lenses 31 . 32 the first lens group 3 shown, the code track to be mapped 20 lens groups 3 . 4 are assigned, each of which comprises a plurality of annular microlens arrays arranged next to one another in the radial direction, each of which is offset from one another by half an azimuthal lens width, so that the lens centers (focal points) of the individual lenses 31 . 32 etc. are arranged along several (in this case along two) concentric circular lines.
Die
vorstehend beschriebene Konstruktion der Linsengruppen kann sowohl
mit refraktiven als auch mit diftraktiven Linsen ausgeführt werden.
Hierbei ist, z.B. mittels Prägetechnik,
auch eine Kombination mehrstufiger diffraktiver Strukturen mit refraktiven
Linsen niedriger Scheitelhöhe
möglich.
Als Träger
der Linsengruppen dient vorzugsweise ein Kunststoffsubstrat.The
Construction of the lens groups described above can both
with refractive and diffractive lenses.
Here, e.g. using embossing technology,
also a combination of multi-level diffractive structures with refractive ones
Low apex lenses
possible.
As a carrier
a plastic substrate is preferably used for the lens groups.
Die
oben anhand einer im Durchlichtverfahren arbeitenden Positionsmesseinrichtung
dargestellten Maßnahmen
lassen sich in gleicher Weise auch bei im Auflichtverfahren arbeitenden
Positionsmesssystemen anwenden. Bei solchen Positionsmesssystemen
wird gemäß 7 das von einer Lichtquelle 11 ausgesandte
und mittels einer Kondensorlinse 13 parallelisierte Licht
L von der entsprechenden Codespur 20 der Maßverkörperung 2 reflektiert
und dann mittels einer aus zwei Linsengruppen 3, 4 bestehenden
Linsenanordndung, auf den fotoelektrischen Detektor 19 abgebildet,
wobei die beiden Linsengruppen 3, 4 in jeweils
einer von zwei zueinander parallelen Ebenen 30, 40 angeordnet
sind.The measures described above with the aid of a position measuring device operating in the transmitted light method can also be applied in the same way to position measuring systems working in the incident light method. In such position measuring systems according to 7 that from a light source 11 emitted and by means of a condenser lens 13 parallelized light L from the corresponding code track 20 the material measure 2 reflected and then using one of two lens groups 3 . 4 existing lens arrangement, on the photoelectric detector 19 shown, with the two lens groups 3 . 4 in one of two parallel planes 30 . 40 are arranged.
Dabei
erfolgt die Beleuchtung der Maßverkörperung 2 vorzugsweise
in axial-radialer Richtung, so dass dann in dieser Richtung auch
die Abbildung der entsprechenden Codespur 20 durch Parallelprojektion
erfolgt. Ferner gestattet die genannte Beleuchtungsrichtung eine
vergleichsweise große
Freiheit bei der Wahl der auszuleuchtenden bzw. abzubildenden Fläche. Eine
große
Objektweite der ersten Abbildung verstärkt diesen Vorteil.The material measure is illuminated 2 preferably in the axial-radial direction, so that the corresponding code track is then also mapped in this direction 20 by parallelpro injection occurs. Furthermore, the direction of illumination mentioned allows a comparatively great freedom in the choice of the surface to be illuminated or imaged. A large object width in the first illustration reinforces this advantage.
Für einen
möglichst
kompakten Aufbau der Anordnung sind kleine Beleuchtungswinkel zu
wählen,
wodurch die Geometrie der Anordnung sich dem ausführlich erläuterten
Durchlichtfall annähert.
Jedoch verbleibt ein gewisser Versatz einander entsprechender, entlang
der optischen Achse hintereinander angeordneter Radien r, r'' usw. (bezogen auf die Drehachse des
Winkelmesssystems), da die optische Achse nicht parallel zur Drehachse
verläuft, sondern
geneigt zu dieser, entsprechend dem Beleuchtungswinkel des parallelisierten
Lichtes, das nicht senkrecht, sondern unter einem von der senkrechten
abweichenden Beleuchtungswinkel auf die Maßverkörperung 2 fällt.In order for the arrangement to be as compact as possible, small illumination angles should be selected, as a result of which the geometry of the arrangement approximates the transmitted light case explained in detail. However, there remains a certain offset of mutually corresponding radii r, r '', which are arranged one behind the other along the optical axis (in relation to the axis of rotation of the angle measuring system), since the optical axis does not run parallel to the axis of rotation, but inclined to it, in accordance with the illumination angle of the parallelized light that is not perpendicular, but at a different angle of illumination to the material measure 2 falls.
Untersuchungen
an linearen Messsystemen (Längenmesssystemen),
bei denen eine linear erstreckte Messteilung auf einen linear erstreckten
fotoelektrischen Detektor abgebildet wird, haben gezeigt, dass eine
optimale Abbildungsoptik erreicht wird, wenn sich die beiden Linsengruppen 3, 4 parallel
zu der Maßverkörperung 2 und
der strahlungsempfindlichen Oberfläche des fotoelektrischen Detektors 19 erstrecken.
Es ist davon auszugehen, dass dies in entsprechender Weise für den Fall
gilt, dass – wie
hier – eine
ringförmig
erstreckte Messteilung 20 auf einen linear erstreckten
fotoelektrischen Detektor 19 abgebildet wird.Studies on linear measuring systems (length measuring systems), in which a linearly extended measuring graduation is imaged on a linearly extending photoelectric detector, have shown that an optimal imaging optics is achieved when the two lens groups 3 . 4 parallel to the material measure 2 and the radiation sensitive surface of the photoelectric detector 19 extend. It can be assumed that this applies in a corresponding manner to the case where - as here - an annularly extending measuring graduation 20 onto a linearly extending photoelectric detector 19 is mapped.
Die
vorstehend anhand der 1 bis 6 für das Durchlichtverfahren beschriebenen
Maßnahmen können somit
in entsprechender Weise bei einer im Auflichtverfahren arbeitenden
Anordnung gemäß 7 eingesetzt werden, besonders
hinsichtlich des Verlaufs der Scheitellinien und der seitlichen,
radial erstreckten Begrenzungslinien der Linsen, wobei den entlang
der optischen Achse hintereinander angeordneten Punkten jeweils
der gleiche Radius r zugeschrieben wird, obwohl die optische Achse
nicht parallel zu der Drehachse D verläuft. Die radialen Koordinaten
r der einzelnen Punkte beziehen sich dann also nicht mehr auf den
Abstand von der Drehachse der Positionsmesseinrichtung, sondern
vielmehr auf den Abstand von einer künstlich definierten Mittelachse,
die parallel zu der optischen Achse verläuft, so dass entlang der optischen
Achse hintereinander angeordnete Punkte die gleiche radiale Koordinate
r aufweisen.The above based on the 1 to 6 Measures described for the transmitted light method can accordingly be carried out in a corresponding manner in the case of an arrangement operating in the incident light method 7 are used, especially with regard to the course of the apex lines and the lateral, radially extending boundary lines of the lenses, the same radius r being ascribed to the points arranged one behind the other along the optical axis, although the optical axis is not parallel to the axis of rotation D. The radial coordinates r of the individual points then no longer relate to the distance from the axis of rotation of the position measuring device, but rather to the distance from an artificially defined central axis that runs parallel to the optical axis, so that points arranged one behind the other along the optical axis have the same radial coordinate r.
Wie
anhand des Durchlichtverfahrens erläutert, werden auch hier hinsichtlich
der Geometrie der Linsen lediglich die Scheitellinien und die Linsenbegrenzungslinien
vorgegeben, während
die Krümmung
der Linsen unter den gegebenen Randbedingungen, insbesondere hinsichtlich
des radiusabhängigen
Abbildungsmaßstabes,
mittels eines Optimierungsprogrammes (Computerprogramm) bestimmt wird.How
explained using the transmitted light method, are also here with regard
the geometry of the lenses only the apex lines and the lens boundary lines
given while
the curvature
of the lenses under the given conditions, especially with regard to
of the radius-dependent
Image scale,
is determined by means of an optimization program (computer program).
Die
vorstehend beschriebenen Maßnahmen können gemäß 8 ferner verwendet werden,
um eine ringartig erstreckte Messteilung mit Ringsegmenten 61 mit
einem vergleichsweise großen
Krümmungsradius
r1 bzw. mit Ringsegmenten 71 mit
einem vergleichsweise kleinen Krümmungsradius
r2 in ein ringartig erstrecktes Abbildung
zu transformieren, dessen Segmente 81 einen von der abzubildenden Messteilung
unterschiedlichen Krümmungsradius
rA aufweisen. Im Fall einer Messteilung
mit sehr großem Krümmungsradius
ermöglicht
dies eine Verkleinerung des Krümmungsradius
und im Fall einer Messteilung mit sehr kleinem Krümmungsradius
kann z.B. eine Vergrößerung des
Krümmungsradius
erreicht werden. Hierzu sind die Abbildungsmaßstäbe der beiden Teilabbildungen,
die durch die beiden Linsengruppen 3, 4 definiert
werden, so zu wählen,
dass aus den einzelnen Ringsegmenten der Messteilung keine rechteckigen
Segmente konstanter Breite, sondern vielmehr andere, ringartige
Segmente mit abweichender Krümmung
erzeugt werden.The measures described above can be according to 8th can also be used to create a ring-like measuring graduation with ring segments 61 with a comparatively large radius of curvature r 1 or with ring segments 71 transform with a comparatively small radius of curvature r 2 into a ring-like image whose segments 81 have a different radius of curvature r A from the measuring graduation to be imaged. In the case of a measuring graduation with a very large radius of curvature, this enables the radius of curvature to be reduced and in the case of a measuring graduation with a very small radius of curvature, for example, an increase in the radius of curvature can be achieved. For this purpose, the imaging scales of the two partial images are given by the two lens groups 3 . 4 be defined so that the individual ring segments of the measuring graduation do not generate rectangular segments of constant width, but rather other ring-like segments with a different curvature.
Schließlich kann
in Umkehrung der vorstehend beschriebenen Maßnahmen auch eine linear erstreckte
Messteilung derart transformiert werden, dass auf dem fotoelektrischen
Detektor ein ringartig erstrecktes Abbild erzeugt wird. Auch hierfür sind die Abbildungsmaßstäbe der beiden
Teilabbildungen entsprechend zu wählen.Finally, can
in reverse of the measures described above, a linear extension
Measuring graduation can be transformed such that on the photoelectric
Detector a ring-like image is generated. For this, too, are the illustration scales of the two
To select partial images accordingly.